CN105814641A - 用于核反应堆的燃料组件 - Google Patents

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Abstract

一种用于核反应堆的燃料组件(1)包括具有第一组燃料棒(5a)和第二组燃料棒(5b)的燃料棒的束(3)。各个燃料棒均包括包壳管(15)和包围在包壳管内的燃料芯块(12)的堆。燃料堆的至少主要部分(13)包括裂变核材料且布置成具有轴向孔(22)，裂变核材料包括钚和钍。第一组的各个燃料棒(5a)的燃料堆的所述主要部分(13)包括构成第一容积的第一轴向孔(22a)，且第二组的各个燃料棒(5b)的燃料堆的所述主要部分包括构成第二容积的第二轴向孔(22b)。第一容积和第二容积不同。

Description

用于核反应堆的燃料组件
技术领域
本发明涉及用于核反应堆的燃料组件及燃料组件的使用。燃料组件包括燃料棒的束，其布置成使得燃料棒间隔开且平行于彼此延伸。束包括第一组燃料棒和第二组燃料棒。各个燃料棒均包括包壳管和包括包围在包壳管内的燃料芯块的燃料堆。燃料堆的至少主要部分包括裂变核材料，其包括钚和钍。燃料棒的燃料堆的所述主要部分包括沿燃料棒的纵轴线延伸的轴向孔。
背景技术
钍232可用于热中子核反应堆来生成能量。钍232自身不是裂变性的，且因此不可用于热中子反应堆。然而，可借助于将钍232与裂变材料如铀233、铀235或钚239布置在一起来将钍232用于热中子反应堆，从而提供中子，其在由钍232吸收时将使钍232变成铀233(其为裂变燃料材料)。实际上，钍232提供了使用钚来产生能量的机会，在此情况下，核燃料包括称为"Th-MOX"的钍和氧化钚的混合物。
从中子学观点而言，Th-MOX与常规氧化铀(UOX)燃料之间的主要差异在于，Th-MOX燃料的氢原子的数目和重金属原子的数目的最佳比率("慢化比")显著高于常规UOX燃料。
Th-MOX可引入常规燃料组件设计中，但由于Th-MOX与常规UOX燃料之间的最佳慢化比的差异，燃料将不会最佳地利用。作为替代，使用Th-MOX的燃料组件应当通过增大慢化比来相比于常规燃料组件设计改变。这可利用较大的燃料棒间隔、较少燃料棒、较小燃料棒直径或添加水通道等来实现。
这种改变的燃料组件设计的问题在于，变化的燃料组件的操作热液压条件不同于常规轻水反应堆燃料组件的操作条件。因此，改变的设计需要大量且昂贵的热液压实验和设计的改变，以便确保燃料组件的安全使用且避免不期望的事件，诸如相邻燃料组件之间的交叉流动。即使执行大量热液压实验，反应堆所有者和当局鉴于这些不同的操作条件可能不愿将改变的燃料设计引入常规反应堆中，特别是在与常规UOX燃料组件一起使用的情况下。
慢化在燃料组件内不是恒定的。具体而言，反应堆中的燃料组件之间的空间给予常规设计的外围燃料棒相比中心燃料棒较高的慢化比。慢化的这种不均匀性通常通过使燃料棒的裂变含量分级来补偿，给予外围燃料棒较低的裂变含量。这使燃料制造复杂化，特别是在考虑混合氧化物燃料时。
US2010/0254847A1公开了一种环形核燃料芯块和用于制造环形核燃料芯块的方法。燃料芯块可由钚和钍的混合氧化物制成。
JP11258374A公开了一种包括钚和钍的环形燃料芯块。
US4687629公开了一种具有包括UOX的环形燃料芯块的燃料棒的燃料元件。一些燃料棒的环形燃料芯块中的各个均具有第一尺寸的环。另一方面，其它燃料棒的各个环形燃料芯块均具有第二尺寸的环，以便允许使用单纯U-235浓缩物。
发明内容
本发明的目的在于改善Th-MOX燃料中的裂变钚的使用，以在与用于常规UOX燃料的燃料组件具有相同设计的燃料组件中使用，同时控制燃料组件内的功率和温度轮廓。使用应当在加载的每千克钚可产生更多能量方面改善。
该目的通过根据权利要求1的核反应堆的燃料组件获得。该燃料组件的特征在于，所述第一组燃料棒的各个燃料棒的燃料堆的所述主要部分包括构成第一容积的燃料芯块中的第一轴向孔，且所述第二组燃料棒的各个燃料棒的燃料堆的所述主要部分包括构成第二容积的燃料芯块中的第二轴向孔，其中第一容积和第二容积不同。
因此，通过轴向孔意思是位于相应燃料棒中的主要部分中的燃料芯块中的孔的总容积。
在本发明的范围内的是，第一容积或第二容积等于零。然而，根据实施例，第一容积和第二容积两者大于零。
孔的引入改善了用于常规UOX燃料组件设计中时用作Th-MOX的裂变组分时的裂变钚的使用，且消除了开发改变的核燃料组件设计和执行相关热液压实验的需要。此外，通过使第一组燃料棒中的第一轴向孔布置为具有不同于第二组燃料棒中的第二轴向孔的容积，慢化比(且因此功率轮廓)或作为备选的燃料温度轮廓可在燃料组件内平衡。
这里，且根据普通英文含义，"主要部分"意思是首要部分。燃料堆的首要部分意思是燃料堆的大部分，其意思是燃料堆的50%以上。作为优选，主要部分为燃料堆的包括裂变材料(其包括钚和钍)的整个部分，其优选为除所谓的覆盖芯块之外的整个燃料堆。因此，主要部分优选为包含核燃料材料的部分。
还应当注意的是，Th主要为232Th的形式，其一般称为可转变成裂变材料的可转换材料(而非裂变材料)。
还应当注意的是，作为优选，用于燃料的Pu源自再处理的核燃料或拆卸的核武器，且可具有对于这些来源常见的任何同位素成分。通常，239Pu将为主要同位素，但其它Pu同位素(裂变和可转换的)也可存在。
如本领域的技术人员理解的那样，限定的燃料组件涉及用于核反应堆中的新燃料组件。在使用期间，一些同位素转变成其它同位素(或其它元素)，由此例如裂变同位素的比例改变且产生若干新的同位素。
如上文所述，核反应堆优选为热反应堆。
根据本发明的一个实施例，第二组燃料棒一般来说位于第一组燃料棒的外围。因此，第一组燃料棒涉及更居中的燃料棒，且第二组燃料棒涉及更外围的燃料棒。
根据本发明的一个实施例，第一容积大于第二容积。
通过向第一组燃料棒的燃料堆提供相比第二组燃料棒的燃料芯块的燃料堆的第二轴向孔的容积较大的第一轴向孔的容积，第一组燃料棒的慢化比变得更类似于第二组的燃料棒的慢化比。因此，在燃料组件的寿命开始时的功率轮廓变得更均匀，减少了裂变含量分级的需要。此外，改善了裂变钚的使用，而没有燃料组件设计的任何改变。
根据本发明的一个实施例，第一容积在具有没有轴向孔的芯块的对应燃料堆的体积的1-90%的范围中。
根据本发明的一个实施例，第二容积在具有没有轴向孔的芯块的对应燃料堆的体积的0-50%的范围中。
根据本发明的一个实施例，第一容积小于第二容积。
另外，根据本发明的实施例，优选第一组燃料棒一般来说更居中地定位在燃料组件中，且第二组燃料棒一般来说更外围地定位在燃料组件中。
通过向第二组燃料棒的燃料堆提供相比第一组燃料棒的燃料堆中的轴向孔的容积较大的轴向孔容积，第一组燃料棒和第二组燃料棒的燃料温度变得相似，减少了裂变含量分级的需要。此外，改善了裂变钚的使用，而没有燃料组件设计的任何改变。
根据本发明的一个实施例，第一容积在具有没有轴向孔的芯块的对应燃料堆的体积的0-50%的范围中。
根据本发明的一个实施例，第二容积在具有没有轴向孔的芯块的对应燃料堆的体积的1-90%的范围中。
根据本发明的一个实施例，裂变核材料包括来自铀和钚的氧化物的混合物。
根据该备选方案，核燃料材料因此也包括铀。作为优选，铀的量在重量方面相对于核燃料材料的总重量相当低，低于40%，优选低于20%。
根据优选实施例，核燃料组件中的核燃料材料在重量方面含有3-40%的PuO2，且在重量方面含有60-97%的ThO2。作为优选，PuO2加ThO2在重量方面构成燃料组件包含的核燃料材料的总量的至少70%，优选至少90%。
根据本发明的一个实施例，燃料堆的所述主要部分包括镅、锔、镎和镤中的至少一者的添加物。
根据本发明的一个实施例，钍主要由钍232构成。
根据本发明的一个实施例，钚主要由钚239构成。
根据本发明的一个实施例，燃料堆的所述主要部分主要包括钍。
根据本发明的一个实施例，燃料堆的所述主要部分包括0-40%的范围中的钚和60-100%的范围中的钍，且余量为可能的添加物或杂质(包括形成Th-MOX的部分的氧)。
根据本发明的一个实施例，燃料棒布置成使得燃料组件的设计与设计用于与常规氧化铀燃料一起使用的常规轻水反应堆的燃料组件的设计相同。因此，包括钚和钍的燃料不需要特殊的燃料组件设计，但可用于常规轻水反应堆的燃料组件设计中。
根据本发明的一个实施例，燃料组件包括第三组多个燃料棒，其中所述第三组燃料棒的各个燃料棒的燃料堆的所述主要部分包括构成第三容积的燃料芯块中的第三轴向孔，第三容积在第一容积与第二容积之间。第三组燃料棒提供燃料堆中的轴向孔的容积的过渡。
作为优选，第三组燃料棒一般而言位于第一组燃料棒与第二组燃料棒之间。
燃料组件还可包括具有不同尺寸的孔的三组以上的燃料棒。
根据本发明的一个实施例，燃料棒中的至少一些的燃料堆的所述主要部分包括两个或多个具有包括不同轴向孔尺寸的燃料芯块的燃料堆区段。通过向燃料堆的主要部分提供具有不同孔尺寸的不同区段，燃料堆的慢化比或燃料温度可沿其长度调整。该实施例可应用于所述第一组燃料棒和/或所述第二组燃料棒和/或所述第三组燃料棒和/或任何其它组的燃料棒。
根据本发明的一个实施例，第一组燃料棒的燃料芯块的所述主要部分具有带相同孔尺寸的燃料芯块且第二组燃料棒的燃料芯块的所述主要部分具有带相同孔尺寸的燃料芯块，但不同于第一组燃料棒的芯块中的孔尺寸。通过对于第一组燃料棒的燃料芯块使用相同尺寸的孔和对于第二组燃料棒的燃料芯块使用相同尺寸的孔，便于燃料组件的制造。
根据本发明的一个实施例，穿过燃料芯块的孔基本上为沿燃料芯块的纵轴线延伸的圆形孔。
根据本发明的一个实施例，轴向孔填充有加压的氦气。氦气改善燃料棒内的热传导。
上述目的通过在核反应堆的操作期间在核轻水反应堆中使用根据前述实施例中任一项的燃料组件来获得。
附图说明
通过本发明的不同实施例的描述且参照附图，现在将更详细地阐释本发明。
图1示出了根据本发明的核反应堆的燃料组件。
图2示出了用于包括燃料芯块的堆的燃料组件的燃料棒。
图3示出了图2中的燃料棒的燃料芯块。
图4示出了根据本发明的第一实施例的燃料组件的燃料棒点阵布置。
图5示出了根据本发明的第二实施例的燃料组件的燃料棒点阵布置。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的核反应堆的燃料组件1。燃料组件1包括燃料棒5的束3，其中燃料棒5布置成使得燃料棒5间隔开且基本上平行于彼此延伸。在公开的示例中，燃料组件1为压水反应堆组件。然而，应当理解的是，本发明还适用于沸水反应堆的燃料组件1，或用于轻水反应堆的其它类型的燃料组件。
燃料组件包括底部喷嘴7和顶部喷嘴9。燃料棒5布置在底部喷嘴7与顶部喷嘴9之间。燃料组件包括沿燃料棒5的长度分布在底部喷嘴7与顶部喷嘴9之间的多个隔离元件11。隔离元件11保持燃料棒5，且确保燃料棒3与彼此分开。
图2示出了用于燃料组件1的燃料棒5。燃料棒5包括燃料堆12，其包括包围在包壳管15内的圆柱形燃料芯块20。燃料堆12的燃料芯块20沿燃料棒的纵轴线L1布置。燃料堆的至少主要部分13包括用于在核反应堆中生成热的包括钚和钍的裂变核材料。燃料堆12的其余部分包括所谓的覆盖芯块，其用于将燃料堆12的主要部分13定位在包壳管15中。
图3示出了图2中的燃料棒5的圆柱形燃料芯块20中的一个的细节。燃料芯块20包括裂变核材料，其包括钚和钍。燃料芯块20布置成具有轴向孔21，其沿芯块20的纵轴线L2从燃料芯块20的底面延伸至顶面。在燃料堆12的所述主要部分13中，燃料芯块20布置成堆叠在彼此上，使得燃料堆12的主要部分13形成为具有沿燃料棒5的纵轴线L1延伸的轴向孔22。
在公开的实施例中，燃料堆12的主要部分13包括彼此紧接着布置的第一燃料堆区段13a和第二燃料堆区段13b。第一燃料堆区段13a和第二燃料堆区段13b包括具有不同轴向孔尺寸21的燃料芯块20。通过使不同区段13a、13b中的燃料堆12的主要部分13布置成带有不同孔尺寸，燃料棒5的慢化或燃料温度可沿燃料棒5的长度调整。
图4示出了根据本发明的第一实施例的燃料组件1的燃料棒点阵布置。燃料棒5的束3布置成点阵。燃料棒的束3布置在用于沸水反应堆的燃料组件中。燃料棒5的束3包括第一组多个燃料棒5a、第二组多个燃料棒5b，以及第三组多个燃料棒5c。第二组燃料棒5b布置在第一组燃料棒5a的外围。第三组燃料棒5c布置在第一组燃料棒5a与第二组燃料棒5b之间。
燃料组件1布置成使得第一组燃料棒5a的各个燃料棒5a的燃料堆12的所述主要部分13布置成带有构成第一容积的第一轴向孔22a，且第二组燃料棒5b的各个燃料棒5b的燃料堆12的所述主要部分13布置成带有构成第二容积的第二轴向孔22b。
第三组燃料棒5c的各个燃料棒5c的燃料堆13的所述主要部分布置成带有构成第三容积的第三轴向孔22c。第三轴向孔22c的尺寸构造成使得第三容积在第一容积与第二容积之间。因此，第三组燃料棒5c提供了第一组燃料棒5a与第二组燃料棒5b之间的轴向孔容积的过渡。在公开的示例中，过渡沿燃料棒5的束3的对角线提供。
在图4中，第一容积大于第二容积。因此，第一组燃料棒的慢化比变得更类似于第二组燃料棒的慢化比。因此，在燃料组件的寿命开始时的功率轮廓变得更均匀，减少了对于裂变含量分级的需要。此外，当用作设计成用于UOX核燃料的燃料组件中的Th-MOX燃料的裂变组分时，改善了裂变钚的使用。这消除了提供改变的核燃料组件设计和执行相关热液压实验和/或适应的需要。
图5示出了根据本发明的第二实施例的燃料组件1的燃料棒点阵布置。燃料棒的束3布置在用于沸水反应堆的燃料组件中。燃料棒5的束3包括第一组燃料棒5a和第二组燃料棒5b。
燃料组件1布置成使得第一组燃料棒5a的各个燃料棒5a的燃料堆12的所述主要部分13布置成带有构成第一容积的第一轴向孔22a，且第二组燃料棒5b的各个燃料棒5b的燃料堆12的所述主要部分13布置成带有构成第二容积的第二轴向孔22b。在图5中，第一组燃料棒5a的各个燃料棒5a的燃料堆12的所述主要部分13没有环形孔。因此，第一轴向孔22a为零，且因此小于第二组燃料棒5b的各个燃料棒5b的燃料堆12的所述主要部分13的轴向孔22b。
也在该实施例中，燃料组件包括第三组多个燃料棒5c，其中第三组的各个燃料棒5c的燃料堆的主要部分包括构成第三容积的第三轴向孔22c，第三容积在第一容积与第二容积之间。在该实施例中，第一组燃料棒一般而言比第二组燃料棒更居中地定位，第二组燃料棒更外围地定位。第三组燃料棒一般而言位于第一组燃料棒与第二组燃料棒之间。
通过以此方式向不同组的燃料棒的主要部分提供具有不同容积的孔，不同组的燃料棒的燃料温度变得相似，减少了对于裂变含量分级的需要。在该实施例中，当用作设计成用于轻水反应堆的UOX核燃料的燃料组件中的Th-MOX燃料的裂变组分时，改善了裂变钚的使用。这消除了提供改变的核燃料组件设计和执行相关热液压实验和/或适应的需要。
本发明不限于公开的实施例，而是可在所附权利要求的范围内改变和变化。

Claims (15)

1.一种用于核反应堆的燃料组件(1)，所述燃料组件(1)包括燃料棒(5,5a,5b,5c)的束(3)，其布置成使得所述燃料棒(5,5a,5b,5c)间隔开且平行于彼此延伸，且所述束(3)包括第一组燃料棒(5a)和第二组燃料棒(5b)，其中各个燃料棒(5,5a,5b,5c)均包括包壳管(15)和包括包围在所述包壳管(15)内的燃料芯块(20)的燃料堆(12)，其中所述燃料堆(12)的至少主要部分(13)包括裂变核材料，所述裂变核材料包括钚和钍，且其中所述燃料棒(5,5a,5b,5c)的燃料堆(12)的所述主要部分(13)包括沿所述燃料棒的纵轴线(L1)延伸的轴向孔(22,22a,22b,22c)，
其特征在于，
所述第一组燃料棒(5a)的各个燃料棒的燃料堆(12)的所述主要部分(13)包括构成第一容积的所述燃料芯块(20)中的第一轴向孔(22a)，且所述第二组燃料棒(5b)的各个燃料棒的燃料堆(12)的所述主要部分(13)包括构成第二容积的所述燃料芯块(20)中的第二轴向孔(22b)，其中所述第一容积和所述第二容积不同。
2.根据权利要求1所述的燃料组件(1)，其特征在于，所述第一容积大于所述第二容积。
3.根据权利要求2所述的燃料组件(1)，其特征在于，所述第一容积在具有没有所述轴向孔(22)的芯块(20)的对应燃料堆(13)的体积的1-90%的范围中。
4.根据权利要求2或3所述的燃料组件(1)，其特征在于，所述第二容积在具有没有所述轴向孔(22)的芯块(20)的对应燃料堆(13)的体积的0-50%的范围中。
5.根据权利要求1所述的燃料组件(1)，其特征在于，所述第一容积小于所述第二容积。
6.根据权利要求5所述的燃料组件(1)，其特征在于，所述第一容积在具有没有所述轴向孔(22)的芯块(20)的对应燃料堆(13)的体积的0-50%的范围中。
7.根据权利要求5或6所述的燃料组件(1)，其特征在于，所述第二容积在具有没有所述轴向孔(22)的芯块(20)的对应燃料堆(13)的体积的1-90%的范围中。
8.根据前述权利要求中任一项所述的燃料组件(1)，其特征在于，所述裂变核材料包括来自铀和钚的氧化物的混合物。
9.根据前述权利要求中任一项所述的燃料组件(1)，其特征在于，所述燃料堆(13)的所述主要部分包括镅、锔、镎和镤中的至少一者的添加物。
10.根据前述权利要求中任一项所述的燃料组件(1)，其特征在于，所述燃料棒(5,5a,5b,5c)布置成使得所述燃料组件的设计与设计用于与常规氧化铀燃料一起使用的常规轻水反应堆的燃料组件的设计相同。
11.根据前述权利要求中任一项所述的燃料组件(1)，其特征在于，所述燃料组件(1)包括第三组多个燃料棒(5c)，其中所述第三组燃料棒(5c)的各个燃料棒(5c)的燃料堆(12)的所述主要部分(13)包括构成第三容积的所述燃料芯块(20)中的第三轴向孔(22c)，所述第三容积在所述第一容积与所述第二容积之间。
12.根据前述权利要求中任一项所述的燃料组件(1)，其特征在于，所述燃料棒(5,5a,5b,5c)中的至少一些的燃料堆(13)的所述主要部分包括两个或多个具有包括不同轴向孔尺寸的燃料芯块(20)的燃料堆区段(13a,13b)。
13.根据前述权利要求中任一项所述的燃料组件(1)，其特征在于，所述轴向孔(22)填充有加压氦气。
14.根据前述权利要求中任一项所述的燃料组件(1)，其特征在于，所述轴向孔(22)为沿所述燃料芯块的纵轴线(L2)延伸的圆形孔。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的燃料组件(1)在核反应堆的操作期间在所述核反应堆中的使用。
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